实验12示波器的使用.doc

大学物理实验教案
实验名称：示波器的使用
1 实验目的
（1）了解示波器的结构和工作原理，初步掌握示波器的使用方法。
（2）观察正弦波和李萨如图形，测量电信号频率值。
2 实验仪器
阴极射线示波器(ST16B)、低频信号发生器（DF1027B）、电信号源(频率取1KHZ或1.2KHZ)。
3 实验原理
示波器是一种能把随时间变化的电压用图象显示出来的电子测量仪器，利用它可展现交流电压随时间变化的波形，可以测量频率、相位、幅度等。利用换能器，还可以将非电学量转换成电学量进行测量。示波器主要由示波管、Y轴偏转系统、X轴偏转系统、显示系统、扫描与同步电路、电源等几大部分组成。理论和实践证明示波管荧光屏上光点偏离中心的距离与示波管偏转板上所加电压的大小成正比，如垂直偏转板上加电压，光点偏离中心的距离为，则：
（1）
称为垂直偏转板的偏转灵敏度，表示每伏电压所引起光点偏离屏中心的距离。对于一般示波器=0.1—1.0mm/v（示波器ST16B输入灵敏度：≤0.5Vp-p/div）。若已知，从荧光屏上量出光点偏离中心距离值，即可求得值。
1） 波形形成原理
假如Y偏转板加上随时间作正弦变化的电压，X轴偏转板没有加任何电压,此时荧光屏上观察到光点只沿Y轴方向移动,移动的距离正比于,按正弦变化,我们可在荧光屏上看到一条Y轴方向的线段。
为了观察正弦电压的波形，Y偏转板上加正弦电压的同时,必须在X轴偏转板上加与时间成正比的电压(),光点将沿X轴方向拉开,荧光屏光点的横向偏离大小与时间成正比,常称此为时间基线.这样在Y轴偏转板加上任意时间变化的电压就可在X方向(时基线)展现出其随时间变化的波形。
为了重复观察波形，要求“X”偏转板的电压从零开始随时间成正比增长到一定值后,突然变为零,然后再重复前过程.在这种锯齿波电压作用下光点在水平轴上由左端移动到右端的现象称为扫描,锯齿波电压称为扫描电压,它是由示波器内的扫描发生器产生的,扫描发生器包括扫描闸门、受控恒流源及释抑电路等组成。扫描时间由TIME/DIV钮调节。（扫描电压也可以由机外的扫描发生器产生的脉冲电压提供）
为了使荧光屏上的图形稳定，要求周期性反复扫描，而且每次扫描图形要和上次扫描图形相吻合，这就要求扫描电压起点始终和被观察信号每周期的某一确定点（时刻）相对应，这种扫描电压与被观察信号电压的时间关系称为同步。为了实现“同步”，在扫描电压发生器上加一定的同步触发信号，迫使其同步。同步信号源有三种：直接取被观察信号的一部分（示波器内部完成）称为“内同步”；第二种同步信号是从示波器以外获得，同步信号从“X”外接端口输入。这种方法称“外同步”；第三种示波器电源获得称电源同步。一般情况采用内同步，触发方式选“自动auto”。
2） 李萨如图形和电信号频率的测定
两个同频的正弦电压分别加在水平（此时，扫描发生器无效）和垂直偏转板上，在屏上形成的波形形状随两个信号的振幅和相位ΔΦ不同而异，如下图所示，这种图形称为李萨如图形。
如果X、Y偏转板上同时加上不同频率的两个正弦信号，其频率之比为整数比时，如（2）式所示，则在屏上也会显示出复杂而稳定的李萨如图形。
=

表示加在“x”偏转板上的信号Ux的频率，表示加在“y”偏转板上的信号Uy的频率，、为整数。
实验上可以通过观察李萨如图形来测量某个信号的频率或两个信号之间的相位之差。如用李萨如图形测频率时，在图形外周引水平和垂直切线，而水平、垂直线与图形切点的数目分别为m和n，如果fy（或fx）的值已知，又从图形中得出m、n值，那另一信号的未知fx（或fy）就可求得。
4 教学内容
（1）观察扫描线（即时基线）
开机后，电源指示灯亮，一般屏上将出现亮点或亮线，若无亮点或亮线出现，先把“辉度”旋钮旋大一些，“X轴位移”和“Y轴位移”旋钮调在中间，Y轴耦合方式开关拨到 “┻”接地,Y信号对地短接。触发方式开关置“自动”，光屏上应有亮线。把亮线调在屏上中央，再调“聚焦”旋钮，使屏幕亮线最细。
（2）观察和描绘信号源电压波形
1） 用示波器10：1衰减或BNC(不带衰减器) 探极旋入仪器Y轴输入插座。
2） Y轴耦合方式开关应置AC或DC档。
3） 根据输入信号的大小，选择“Y轴衰减VOLTS/DIV”和调节“Y轴增益”使屏幕上显示的信号图形大小适中。(以Y轴方向上下各3格，共6格较适宜)
4） 触发方式：选择“自动”档。
5） 触发源：选择“内触发”。
6） 探极接到被测电信号源，调节示波器各旋钮，使屏幕显示周期数为3的稳定正弦波形，设计表格并把波形描绘下来。
（3）观察低频信号发生器输出波形
1） 把信号发生器的输出电压接到示波器的Y输入端，输出电压调到1伏。
2） 选择适当的Y衰减数值并调节增益微调选钮使屏幕上波形幅度适中。
3） 信号发生器输出频率分别调到60Hz、700Hz、5KHz，选择适当的扫描时间TIME/DIV档，调节扫描时间微调使屏幕上出现周期数为3的稳定波形。设计表格并记录波形图，记下各波形对应扫描时间TIME/DIV档。
（4）观察李萨如图形及测量电信号频率
1）“Y轴输入”接电信号源。
2）“X轴输入”接低频发生器的电压输出（不能接同步输出）。注意探极衰减开关。（可置20dB档）
3） 选择低频信号发生器的“频率倍乘”按键；调节“频率调节”旋钮；调节频率微调电位器；使荧光屏上能够出现如表3中的李萨如图形（图形要稳定、清晰）。并设计表格分别记录低频信号发生器数字显示屏的频率值，作李萨如图形的水平切线和垂直切线，记录水平切点数m和垂直切点数n（m、n为自然数），求出其所对应的电信号频率大小。

4）计算Fy和不确定度 ,写出Fy结果表达式。
5 实验教学组织及教学要求
（1）教学组织
1） 检查学生预习实验报告，同时给学生5-10分钟时间熟悉仪器，对本实验有一定的感性认识。
2） 讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生的预习情况，加深学生对实验原理的理解。
3） 随时注意学生的实验操作过程，及时指导解决学生实验中出现的突发情况。
4） 检查每个学生的实验数据，记录实验情况。
（2）教学要求
1）了解示波器的结构和工作原理，初步掌握示波器的使用方法。
2）学会观察正弦波和李萨如图形，并能利用李萨如图形测量电信号频率值。
6 实验教学重点及难点
1）重点：示波器的结构和工作原理及使用方法。
2）难点：在示波器屏上调出较稳定的李萨如图形及测量电信号频率值。
7 实验中容易出现的问题
1） 开机后，示波器屏上无亮点或亮线。
2） 荧光屏的亮点不可太强，并且不可固定在荧光屏上一点过久，以免烧坏荧光屏。
3） 示波器使用过程中，信号波形不稳定，图形大小不适中。
4） 低频信号发生器使用不正确造成的波形不稳定。
8 实验参考数据
1）观察和描绘未知信号电源电压波形
电压信号频率f （HZ）
波形图
扫描时间(TIME/DIV)
周期数
1000

0.1ms 0.2ms
3T
1200

0.1ms 0.2ms
3T
2） 观察低频信号发生器输出波形
低频信号频率f （HZ）
波形图
扫描时间(TIME/DIV)
周期数
60

2ms、5ms（有些不可）
3T
700

0.2ms
3T
5000

20μs、50μs
3T
3） 观察李萨如图形及测量电信号频率
李萨如图形
M/n
Fx(KHZ)
Fy(KHZ)

2/1
0.503
1.006

1/1
1.006
1.006

1/2
2.012
1.006

1/3
3.017
1.006
注：调李萨如图形以先调出椭圆，确定其频率，再调其它图形为好。
4） 测量电信号频率的数据处理及有关公式
计算Fy1及Fy1的不确定度，写出Fy1的结果表达式：(以Fx=0.503KHZ为例)
根据公式 Fy=Fx 求出Fy1=1.006KHZ
计算Fy1的不确定度 UFx1==0.0029 (m=示值×1% =Fx1×1% =0.00503 )
UFy1=UFx1=0.0058
相对不确定度 EFy1=×100%=0.58%
Fy1的结果表达式 Fy1 =Fy1UFy1=(1.0060.006)KHZ ( P= 0.683 )
EFy1= 0.6%
同理可计算出Fy2 、Fy3 、Fy4 ，并写出结果表达式
9 实验结果检查方法
根据李萨如图形测量出的Fy值误差不超过5HZ，一般不超过2HZ。
10 课堂实验预习检查题目
1） 示波器使用过程中，常发现信号波形不稳定，此时应如何调节？
2） 观察电信号频率和李萨如图形时,“触发方式”开关如何放置?在什么情况下, 扫描时间TIME/DIV、触发极性、触发源选择开关才起作用?
3） 随着被测量信号频率的升高，示波器扫描时间如何变化？扫描档级（速度档、单位档）如何调节？若被测信号频率f=10KHz，扫描档级应置何挡位？（简单计算）

11 思考题
1）观察电信号频率和李萨如图形时,“触发方式”开关如何放置?在什么情况下, 扫描时间TIME/DIV、触发极性、触发源选择开关才起作用?
2）示波器使用过程中，常发现信号波形不稳定，此时应如何调节？方法有几种？分别说明。
3）随着被测量信号频率的升高，示波器扫描时间如何调节？若被测信号频率f=10KHz，扫描档级应置何挡位？（简单计算）